汽车发动机的可变气门技术

可变气门技术是汽车发动机技术的一个重要组成部分，这项技术的提出带来了发动机燃油系统的一场革命，既改善了发动机的整体性能，又在质量上做出了保障。发动机可变气门正时技术（简称为VVT，英文全称为Variable Valve Timing） 是汽车发动机领域的一项重要研究成果，随着工业社会的发展，在现代轿车上这项技术被运用的越来越普遍。该技术能够使进气充量得到显著的提升，进而增加发动机的扭矩，同时发动机功率也得到了显著提升。当前社会，混合动力汽车性能正在逐渐的优化，发动机可变气门正时技术同样也能够在该领域一展拳脚，主要实现的就是对动力模式的随意切换，进而极大地降低来自于内燃机的污染排放。丰田的 VVT-i 系统算是业界先驱，率先为该问题提供了解决方案。

1. 丰田VVT-i 系统

丰田公司作为汽车行业的领先者，自然掌握了多项汽车核心科技，其中 VVT-i 技术就是其拥有自主知识产权的先进的发动机技术， 在过去的几十年间，该技术仅仅被使用在丰田公司原装进口的顶级汽车上。丰田VVT-i系统由一个固定在进气凸轮轴上的叶片，一个与从动正时链轮一体的壳体，一个锁销组成。控制器有气门正时提前室和气门正时滞后室。通过凸轮轴上的提前或滞后油路中传送机油压力，使控制器叶片沿圆周方向旋转，连续改变气门正时，以获得最佳配气相位。下图为VVT-i控制器的的结构。对于VVT-i的优点在于能够持续的调控节气门正时，缺点则是无法实现节气门升程的调控。



2. 从 VVT-i 到 VVTL-i

由于市场的需要以及客户的需求，丰田公司在原有的VVT-i技术上进行改良，研发出了新一代的VVTL-i技术。从结构上来看，就是在VVT-i结构的基础上增加了凸轮转换机构，从而使发动机在不同转速工况下由不同的凸轮控制，及时调整进气门的升程和开启持续时间。结构图如下图所示。



当发动机低-中速运转时，由凸轮轴上的低-中速凸轮驱动摇臂滚柱，使两个进气门动作；一旦发动机高速运转时，来自传感器的信号送给发动机控制单元，再由控制单元控制机油控制阀动作，调节摇臂活塞液压系统，使高速凸轮工作，进气门升程和开启时间增加，提高了充气效率。下图分别为VVTL-i系统低-中速和高速工作原理图。




下图分别为VVTL-i系统低-中速和高速发动机负荷-转速气门正时图。





3．VVT控制策略

ECU又是如何知道凸轮轴转角位置和曲轴转角位置的呢？在曲轴和凸轮轴上，都装有信号轮，ECU通过读取相应的相位传感器的高低电平信号，来确定曲轴和凸轮轴的相位，如下图所示：



凸轮轴信号轮一般采用四齿式信号轮，其中2个短齿的长度相同，2个长齿的长度相同，通过传感器根据缺口和齿部的高低电平信号来判断凸轮轴相位。曲轴信号轮一般采用60-2齿信号轮，其中有缺齿部分，通过传感器根据齿形和缺齿部分的高低电平信号来判断曲轴相位。ECU根据曲轴信号来判断相位基准，再根据凸轮轴信号和其相对曲轴信号的位置来判断凸轮轴的相位，然后根据其他传感器出来的信息，按照不同发动机工况来调节凸轮轴相位。



4．总结

在控制气门正时方面VVTL-i工作原理和VVT-i相同。通过液压系统使凸轮轴向前或向后旋转一定的角度。VVTL-i是连续可调的配气正时与升程系统，该系统改善了整个转速范围内的扭矩输出，同时可变气门行程和开启持续时间的增加，能获得更大的输出功率。